Boulonnage actif et passif : ce qui distingue les deux approches

Les boulons utilisés en mine et en tunnel ne commencent pas toujours à renforcer le massif rocheux au même moment. Certains agissent sur la roche pratiquement dès la pose, en introduisant dans le système une précontrainte définie. D’autres n’atteignent leur pleine efficacité que lorsque le massif commence à se déplacer, à se déliter ou à se détacher. C’est sur cette base que l’on distingue le boulonnage actif du boulonnage passif.

Cette distinction ne renvoie pas seulement au type de tige ou de produit de scellement. L’essentiel est le mode de mobilisation de la capacité portante, c’est-à-dire la réponse à la question : la force dans le boulon est-elle introduite lors de la pose, ou n’apparaît-elle qu’à la suite de la déformation du massif ?

Le boulonnage actif : une action dès la pose

Le boulonnage actif consiste à introduire dans le boulon un effort initial contrôlé : la précontrainte. Une fois l’extrémité de la tige ancrée, le boulon est mis en tension et la plaque d’appui vient presser la surface de l’excavation. Il en résulte un état de compression dans la roche avant même l’apparition de déplacements plus importants.

L’exemple type de système actif est le boulon mécanique – à coquille d’expansion ou à coin – serré à l’écrou après la mise en place de la tête dans le forage. Les boulons scellés peuvent également être actifs si une partie du boulon est d’abord fixée dans un produit à prise rapide, la tige étant ensuite mise en tension avant la prise du reste du scellement ou avant l’injection complète.

La précontrainte produit plusieurs effets favorables :

• elle plaque les dalles et les blocs rocheux contre le massif plus stable,
• elle limite l’ouverture des fissures et des discontinuités,
• elle augmente le frottement entre les bancs,
• elle réduit le risque de glissement des blocs,
• elle limite le décollement initial des bancs du toit,
• elle améliore la coopération du grillage et des autres éléments de soutènement avec la surface de l’excavation.

Un boulon actif n’a donc pas besoin d’attendre que la roche commence à se déplacer de façon visible. Son rôle est de s’opposer au développement des déformations dès le moment de la pose.

L’importance du couple de serrage

Dans de nombreux systèmes actifs, l’effort initial est obtenu par le serrage d’un écrou. Le couple génère alors un effort axial dans la tige. Cette relation peut être décrite approximativement par la formule :

F ≈ T / (K · d)

où :

• F désigne l’effort axial dans le boulon,
• T – le couple de serrage,
• d – le diamètre du filetage,
• K – un coefficient dépendant avant tout du frottement ; pour des filetages secs et propres, on retient généralement K ≈ 0,15–0,25, souvent environ 0,2.

La formule n’a toutefois qu’une valeur indicative. Un même couple de serrage ne produit pas toujours le même effort initial. Le résultat dépend notamment de l’état du filetage, de la présence de lubrifiant, de la corrosion, des salissures, du type d’écrou, de la géométrie du filetage, de la rigidité de la plaque d’appui et du frottement entre l’écrou et la plaque.

Le couple de serrage ne doit donc pas être automatiquement assimilé à la tension réelle du boulon. Un étalonnage de l’ensemble concerné est nécessaire : tige, écrou et plaque d’appui. Dans les applications plus exigeantes, l’effort initial est contrôlé directement, par exemple par mise en tension hydraulique des boulons, par cales dynamométriques ou par des systèmes de suivi de l’allongement de la tige.

Un couple de serrage trop faible se traduit par une précontrainte insuffisante. Un couple trop élevé peut au contraire conduire à la surcharge du filetage, à la rupture du boulon, à la destruction de la coquille d’expansion, à la déformation de la plaque d’appui ou à l’écrasement local de la roche sous la plaque.

Le boulonnage passif : une capacité mobilisée par la déformation

Un boulon passif n’est pas volontairement chargé d’un effort axial significatif lors de la pose. Sa capacité portante ne se mobilise que lorsque la roche commence à se déplacer par rapport au boulon.

Ce groupe comprend avant tout de nombreux boulons scellés sur toute leur longueur. La tige en acier est enrobée de résine durcie ou de coulis minéral, qui la lie aux parois du forage. Immédiatement après la prise du scellement, la contrainte dans la tige peut être faible. Mais lorsque les bancs rocheux commencent à s’écarter ou à glisser, la déformation est transmise au boulon par l’intermédiaire du scellement.

La charge se développe alors par :

• des contraintes de cisaillement à l’interface roche–produit de scellement,
• des contraintes de cisaillement à l’interface produit de scellement–tige,
• la traction de la tige,
• la flexion locale du boulon au droit des discontinuités,
• la coopération de la plaque d’appui avec la surface de l’excavation.

Les boulons à friction travaillent eux aussi de manière passive. Ils sont enfoncés dans un forage d’un diamètre légèrement inférieur à celui du tube : le contact par frottement avec la roche s’établit dès la pose, mais le boulon ne reprend un effort axial significatif qu’avec les déplacements du massif.

Un boulon passif n’est donc pas un boulon inerte ou moins efficace. Le terme « passif » décrit seulement le mode d’activation de sa capacité portante. Le système réagit à la déformation du massif en reprenant la charge au fur et à mesure de son développement.

La mobilisation de la capacité dans les deux systèmes

La différence essentielle entre boulonnage actif et passif tient à la relation entre l’effort dans le boulon et le déplacement du massif rocheux.

Dans un système actif, une part importante de l’effort axial existe dès la fin de la pose. La déformation initiale de la roche peut ainsi être limitée. Si les déplacements se poursuivent, l’effort dans le boulon dépasse la valeur de la précontrainte.

Dans un système passif, l’effort initial est faible et sa croissance exige un déplacement relatif entre la roche et le boulon. Les propriétés du système dépendent donc non seulement de la résistance de la tige, mais aussi de la rigidité du scellement, de la longueur d’ancrage, de la qualité du malaxage de la résine, du remplissage de l’espace annulaire du forage et de l’adhérence à la roche.

En pratique, la limite entre les deux groupes n’est pas toujours parfaitement nette. Un boulon peut être partiellement mis en tension lors de la pose, puis développer une capacité supplémentaire de manière passive. Les boulons scellés sur toute leur longueur, avec écrou serré et plaque d’appui, en sont un exemple. Le serrage initial assure un certain effort de plaquage, tandis que la charge ultérieure est transmise par la couche de scellement.

Les applications du boulonnage actif

Le boulonnage actif est particulièrement avantageux là où le mouvement de la roche doit être limité rapidement. Cela concerne entre autres :

• les toits stratifiés sujets au décollement des bancs,
• les blocs rocheux séparés par des fissures marquées,
• les excavations où les déplacements admissibles sont faibles,
• les soutènements exigeant un plaquage immédiat du grillage,
• les installations provisoires nécessitant une capacité rapide,
• les boulons et tirants précontraints utilisés pour les grandes portées.

L’avantage fondamental est l’effet stabilisateur immédiat. La limite peut en revanche être la perte de tension due au fluage de la roche, à la déformation de la plaque d’appui, au desserrage des éléments filetés ou au déplacement de la coquille d’expansion.

Les applications du boulonnage passif

Les boulons passifs sont couramment employés comme renforcement permanent du massif rocheux, en particulier lorsque la charge doit être répartie sur une longueur importante du forage. Le scellement complet de la tige assure une protection contre la corrosion, limite les concentrations de contraintes et permet au boulon de coopérer avec la roche sur de nombreux tronçons.

Les systèmes passifs conviennent particulièrement :

• aux excavations soumises à des déformations modérées et progressives,
• aux massifs fracturés où de nombreux blocs doivent être solidarisés,
• au soutènement permanent des tunnels et des chambres,
• aux systèmes exigeant une grande rigidité et un bon scellement,
• aux conditions dans lesquelles un ancrage ponctuel serait incertain.

La condition d’efficacité reste cependant la bonne exécution du forage et la liaison correcte du boulon avec la roche. Des vides dans le scellement, un malaxage insuffisant des composants, un diamètre de forage trop grand ou la présence d’eau et de débris de forage peuvent réduire sensiblement la capacité portante.

Le choix du système doit découler du mécanisme de rupture

On ne peut pas affirmer que le boulonnage actif soit toujours supérieur au boulonnage passif, ni l’inverse. Les deux approches répondent à des besoins géotechniques différents.

Si le risque principal est le décollement rapide des bancs ou le glissement des blocs, l’introduction immédiate d’une précontrainte peut être avantageuse. Si, en revanche, l’objectif est la solidarisation durable d’un massif fracturé et la reprise des charges sur toute la longueur du forage, le scellement complet du boulon peut constituer la meilleure solution.

En pratique, on utilise souvent des systèmes hybrides, associant précontrainte et scellement complet. Cela permet de tirer parti de l’action immédiate du boulonnage actif et de la capacité durable du boulonnage passif à reprendre des charges qui se développent avec la déformation de la roche.

Le choix final doit prendre en compte la structure géologique, l’orientation des discontinuités, l’ampleur prévisible des déplacements, la durée de service de l’excavation, les conditions hydrauliques et la déformabilité requise du soutènement. L’essentiel n’est pas le type de boulon en lui-même, mais l’adéquation entre son mécanisme de fonctionnement et le mécanisme réel de déformation et de rupture du massif rocheux.